DE3823008A1 - Schaltbarer oszillator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen schaltbaren Oszillator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei schaltbaren Oszillatoren wird in Abhängigkeit vom rückgekoppelten Ausgangssignal einer Verstärkerstufe ein externer Ausgang des Oszillators ein- oder ausgeschaltet. Um eine Variation des Ausgangssignals und damit einen Schaltvorgang zu erzeugen, muß der Zustand des Oszil­ lators verändert werden können. Bei Metallsuchgeräten beispielsweise werden Oszillatoren gegeneinander ver­ stimmt, bei Leitungssuchgeräten Oszillatoren bedämpft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Oszilla­ tor mittels eines optischen Verfahrens zu schalten. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß im Rück­ kopplungszweig der Verstärkerstufe ein optischer Koppler angeordnet ist und daß die optische Verbindung zwischen einem Sendeelement und einem Empfangselement des optischen Kopplers unterbrechbar ausgebildet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Da der Rückkopplungszweig der Verstärkerstufe optisch geschlossen wird, besitzt der schaltbare Oszillator nach der Erfindung mehrere Vorteile:

Der Schalter kann mit geringem Aufwand realisiert werden, die Zahl der benötigten Bauelemente ist sehr gering; zudem sind diese bis auf das Sendeelement in einem Schaltkreis integrierbar. Der gesamte Oszillator kann in einem Ge­ häuse untergebracht werden, was einer Serienproduktion sehr entgegenkommt.

Durch ein frequenzselektives Element, vorzugsweise ein Bandfilter, kann die Oszillatorfrequenz sehr schmalbandig ausgefiltert werden; dadurch ist der Oszillator sehr stör­ sicher gegenüber Umgebungseinflüssen, wie z.B. externen Strahlungsquellen.

Dadurch daß die Schleifenverstärkung der Verstärker­ stufe sehr hoch gewählt werden kann, ist der Oszillator sehr empfindlich, so daß bereits sehr geringe Strahlungs­ flüsse des Sendeelements bzw. sehr geringe Variationen des Strahlungsflusses detektiert werden können.

Der Aufbau des schaltbaren Oszillators nach der Erfind­ dung und dessen Wirkungsweise sowie dessen bevorzugte Anwendungsmöglichkeiten, sollen nun anhand der Fig. 1 bis 3 besprochen werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des schaltbaren Oszillators.

Fig. 2 das Ausgangssignal an den Ausgängen A ₁ und A ₂ in Abhängigkeit vom Schaltzustand des Oszillators.

Fig. 3a die Anwendung des schaltbaren Oszillators als Reflexkoppler.

Fig. 3b die Anwendung des schaltbaren Oszillators als Gabelkoppler.

Im Blockschaltbild nach Fig. 1 befindet sich ein opti­ scher Koppler 2, bestehend aus einem Sendeelement 3 und einem Empfangselement 4, im Rückkopplungszweig 8 einer Verstärkerstufe 1, wobei das Empfangselement 4 am Eingang der Verstärkerstufe 1 angeschlossen ist und das Sende­ element 3 von einer Stromquelle 6 getrieben wird. Zwischen dem Ausgang A ₁ der Verstärkerstufe 1 und dem Sendeelement 3 ist im Rückkopplungszweig 8 ein frequenz­ selektives Element 5 angeordnet, außerdem ist eine Aus­ werteeinheit 7 zur Verarbeitung des Oszillator-Ausgangs­ signals am Ausgang A ₁ angeschlossen sowie eine leitende Verbindung 8 a zwischen dem Ausgang A ₂ der Auswerteein­ heit 7 und dem Rückkopplungszweig 8 über einen Schalter S ₁ vorgesehen.

Die Verstärkerstufe 1, beispielsweise ein Operationsver­ stärker mit einer sehr hohen Verstärkung V ₁, wird über den optischen Koppler 2 mit der geringen Verstärkung V ₂ rückgekoppelt; die Verstärkung V ₂ des optischen Kopplers 2 ist dabei von der Transmission der Strahlung zwischen Sendeelement 3 und Empfangselement 4 abhängig.

Eine Oszillation und damit ein Signal am Ausgang A ₁ ge­ mäß Fig. 2 tritt dann auf, wenn die vom Sendeelement 3 abgegebene Strahlung vom Empfangselement 4 detektiert wird, wenn die Gesamtverstärkung V = V ₁ × V ₂ gleich oder größer als 1 wird und wenn zudem das rückgekoppelte Signal die richtige Phasenlage besitzt.

In Fig. 1 ist zwischen der Verstärkerstufe 1 und dem Sendeelement 3 ein frequenzselektives Element 5, bei­ spielsweise ein Bandfilter, angeordnet, um die Oszillator­ frequenz zu selektieren bzw. um die Verstärkerstufe 1 schmalbandig zu machen. Dadurch wird die Verstärkung V ₁ reduziert und frequenzabhängig; nunmehr ist also die Ge­ samtverstärkung V = V ₁ (f) × V ₂ (T) maßgebend, wobei T die oben angesprochene Transmission der Strahlung zwi.­ schen Sendeelement 3 und Empfangselement 4 symbolisiert.

Zur Verarbeitung und Auswertung des Wechselspannungs­ signals, das am Punkt A ₁ gemäß Fig. 2 ansteht, ist eine Auswerteeinheit 7 vorgesehen, die beispielsweise als Inte­ grationsglied ausgebildet werden kann. Ein solches Inte­ grationsglied ist bekanntermaßen aus Dioden, Widerständen und Kondensatoren aufgebaut und soll hier nicht näher spezifiziert werden. Am Ausgang A ₂ der Auswerteeinheit 7 erhält man ein Gleichspannungssignal mit zwei möglichen Zuständen High (H) und Low (L), welche ein Maß für den Schaltzustand des Oszillators darstellen. Beispielsweise kann, wie in Fig. 2 dargestellt, die Logik der Auswerte­ einheit 7 so gestaltet sein, daß der Pegel "H" am Ausgang A ₂ dem "eingeschalteten" schwingenden Zustand des Oszilla­ tors entspricht, d.h. am Ausgang A ₁ liegt ein periodisches Signal an und daß der Pegel "L" am Ausgang A ₂ dem "ausge­ schalteten" nicht-schwingenden Zustand des Oszillators entspricht, d.h. am Ausgang A ₁ liegt kein Signal an. Mit dieser Auswerteeinheit 7 kann zudem erreicht werden, daß der Ausgang A ₂ erst dann den Pegel "H" annimmt, wenn eine bestimmte vorgebbare Anzahl von Schwingungen am Ausgang A ₁ anliegt. In Abhängigkeit des Signals am Ausgang A ₂ kann ein externer Schalter S ₂ umgeschaltet werden. Gemäß Fig. 2 müssen zwei Schwingungen am Ausgang A ₁ anstehen, bevor der Ausgang A ₂ in den "H"-Pegel übergeht und der Schalter S ₂ schaltet. Dadurch können zum einen eine definierte An­ sprechschwelle bzw. Zeitkonstante des Oszillators einge­ stellt und zum anderen einzelne Störimpulse noch effektiver unterdrückt werden.

Um sicherzustellen, daß der Oszillator nach Fig. 1 entweder definiert schwingt oder nicht schwingt, d.h. in der Nähe der Oszillationsbedingung für die Gesamt­ verstärkung V = V ₁ (f) × V ₂ (T) = 1 nicht willkürlich vom oszillierenden in den nicht-oszillierenden Zustand springt, kann beispielsweise die Schleifenverstärkung der Verstärkerstufe V ₁ (f) in Abhängigkeit des Oszillator­ zustandes verändert werden. Vorzugsweise wird die Ver­ stärkung V ₁ (f) nach dem ersten Einsetzen der Oszillation erhöht und nach Beendigung der Oszillation wieder er­ niedrigt. Dazu ist über eine Leitungsverbindung 8 a der Ausgang A ₂ der Auswerteeinheit 7 mit dem Rückkopplungs­ zweig 8 der Verstärkerstufe 1 über einen nicht näher spe­ zifizierten und in Fig. 1 als S ₁ symbolisch dargestellten Schalter verbunden, der in Abhängigkeit des Ausgangssig­ nals am Ausgang A ₂ geöffnet oder geschlossen werden kann. Durch diese Änderung im Rückkopplungszweig wird auch die Schleifenverstärkung V ₁ (f) der Verstärkerstufe 1 ver­ ändert.

Wenn nun ein Übergang vom oszillierenden zum nicht-oszil­ lierenden Zustand oder umgekehrt auftritt, schaltet der Pegel am Ausgang A ₂ definiert um, d.h. das Signal am Aus­ gang A ₂ ist ein eindeutiges Maß für den Zustand des Oszillators.

Das Sendeelement 3 des optischen Kopplers 2 ist üblicher­ weise eine Leuchtdiode im sichtbaren (LED) oder infraroten (IRED) Spektralbereich, die Licht mit einer bestimmten spektralen Bandbreite emittiert. Als Materialien kommen binäre Halbleiter-Verbindungen auf III-V-Basis, beispiels­ weise GaAs oder GaP zum Einsatz.

Das Sendeelement 3 wird von einer Stromquelle 6 mit einem Strom gespeist, der typischerweise zwischen 10 und 30 mA liegt. Die Stromquelle 6 besteht in ihrer einfachsten Aus­ führungsform aus einem Widerstand, der die am Ausgang des frequenzselektiven Elements 5 anliegende Spannung in einen Strom umwandelt.

Das Empfangselement 4 nützt den intrinsischen Fotoeffekt aus und ist beispielsweise auf Si-Basis als Fotodiode, Fototransistor, Foto-IC oder einer Kombination dieser Bauelemente ausgebildet.

Sendeelement 3 und Empfangselement 4 werden vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.

Die hohe Empfindlichkeit des schaltbaren Oszillators aufgrund der hohen Schleifenverstärkung der Verstärker­ stufe sowie der Selektion der Oszillatorfrequenz, kann gemäß Fig. 3a in einem Reflexkoppler ausgenützt werden. In diesem Reflexkoppler wird das vom Sendeelement S emittierte und von der Umgebung reflektierte Licht vom Empfangselement E detektiert. Bei einer Änderung der Um­ gebung ändert sich auch der reflektierte Anteil der emittierten Strahlung, der Zustand des Oszillators wird dadurch verändert, was sich in einer Variation des Os­ zillator-Ausgangssignals bemerkbar macht. Diese Variation des Ausgangssignals kann, wie oben beschrieben, zur exter­ nen Auswertung herangezogen werden. Alle benötigten Bau­ elemente, außer dem Sendeelement S, können in einem Schaltkreis integriert werden; der gesamte Oszillator ist in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.

Wird der schaltbare Oszillator nach Fig. 3b dagegen als Gabelkoppler verwendet, d.h. das vom Sendeelement S emittierte Licht wird direkt vom Empfangselement E detek­ tiert, kann man die Schleifenverstärkung der Verstärker­ stufe V ₁ reduzieren, wodurch die Störanfälligkeit des Oszillators aufgrund der Strahlung externer Lichtquellen noch geringer wird. Beim Gabelkoppler wird die Störung bzw. Unterbrechung des Lichtwegs zwischen Sendeelement S und Empfangselement E, beispielsweise durch einen Gegen­ stand, und die daraus resultierende Änderung des Oszil­ latorzustands registriert und verarbeitet. Auch hier kann die gesamte Anordnung in einem Gehäuse integriert werden.

Claims (12)

1. Schaltbarer Oszillator, der aus einer Verstärkerstufe (1) mit einem Rückkopplungszweig (8) besteht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Rückkopplungszweig (8) der Verstärker­ stufe (1) ein optischer Koppler (2) angeordnet ist und daß die optische Verbindung zwischen einem Sendeelement (3) und einem Empfangselement (4) des optischen Kopplers (2) unterbrechbar ausgebildet ist.

2. Schaltbarer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Verstärkerstufe (1) ein frequenz­ selektives Element (5) im Rückkopplungszweig (8) nachge­ schaltet ist.

3. Schaltbarer Oszillator nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das frequenzselektive Element (5) als Bandfilter ausgebildet ist.

4. Schaltbarer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Ausgang A ₁ der Verstärkerstufe (1) eine Auswerteeinheit (7) nachgeschaltet ist.

5. Schaltbarer Oszillator nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (7) als Integrator ausgebildet ist, an dessen Ausgang A ₂ ein Schalter S ₂ um­ geschaltet wird, wenn eine bestimmte Anzahl von Perioden des Oszillatorsignals am Ausgang A ₁ der Verstärkerstufe (1) anliegt.

6. Schaltbarer Oszillator nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang A ₂ der Auswerte­ einheit (7) und dem Rückkopplungszweig (8) über einen Schalter S ₁ eine Verbindung (8 a) besteht, um die Verstär­ kung V ₁ der Verstärkerstufe (1) in Abhängigkeit des Signals am Ausgang A ₂ zu schalten.

7. Schaltbarer Oszillator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Erhöhung der Verstärkung V ₁ der Verstärkerstufe (1) nach Schwingungseinsatz des Oszilla­ tors.

8. Schaltbarer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Sendeelement (3) des optischen Kopplers (2) als Leuchtdiode ausgebildet ist.

9. Schaltbarer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Empfangselement (4) des optischen Kopplers (2) als Fotodiode, Fototransistor oder Foto-IC ausgebildet ist.

10. Schaltbarer Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schaltungs­ elemente in einem Gehäuse integriert sind.

11. Verwendung eines schaltbaren Oszillators nach einem der vorangehenden Ansprüche als Reflexkoppler.

12. Verwendung eines schaltbaren Oszillators nach einem der vorangehenden Ansprüche als Gabelkoppler.